WO2021013598A1 - Interferometer device and method for operating an interferometer device - Google Patents

Interferometer device and method for operating an interferometer device Download PDF

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WO2021013598A1
WO2021013598A1 PCT/EP2020/069704 EP2020069704W WO2021013598A1 WO 2021013598 A1 WO2021013598 A1 WO 2021013598A1 EP 2020069704 W EP2020069704 W EP 2020069704W WO 2021013598 A1 WO2021013598 A1 WO 2021013598A1
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WO
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electrically conductive
conductive area
voltage
eli
evaluation
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/069704
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German (de)
French (fr)
Inventor
Benedikt Stein
Christoph Schelling
Thomas Buck
Christoph Daniel Kraemmer
Reinhold Roedel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Definitions

  • the present invention relates to an interferometer device and a
  • a cavity consisting of two plane-parallel, highly reflective mirrors with a distance (cavity length) in the range of optical wavelengths shows strong transmission only for wavelengths for which the cavity length corresponds to an integral multiple of half the wavelength.
  • the cavity length can be changed.
  • a filter element which can be varied (spectrally tunable) in terms of the wavelengths of the transmission can thus be provided.
  • the function of such a spectrometer can strongly depend on the parallelism of the two mirrors, whereby this should be as high as possible so that a defined cavity with the highest possible finesse (ratio of the distance between two adjacent interference maxima and the half-width of a single one
  • US2014 / 0022643 A1 describes a wavelength-variable interference filter with a movable substrate and a stationary substrate, the two substrates being able to form different capacitances and distances.
  • the present invention provides an interferometer device according to claim 1 and a method for operating an interferometer device according to claim 1
  • the idea on which the present invention is based is to provide an interferometer device with an improved possibility for
  • the interferometer device comprises a substrate with an edge structure which is arranged on the substrate and, in a plan view of an upper side of the substrate, at least partially laterally runs around an optical region above the substrate; a first mirror device which extends at least in the optical region over and spanning the substrate and which is anchored to the edge structure; a second mirror device, which extends at least in the optical region over the substrate and over the first mirror device and spans the latter and which is anchored to the edge structure, the first and second mirror devices being exposed in the optical region; an actuation electrode which is placed on the The substrate is arranged and at least partially laterally runs around a central region of the optical region, and wherein the first mirror device comprises a first electrically conductive region at least above the actuation electrode and the second mirror device comprises at least one second electrically conductive region above the first electrically conductive region; and a control device which is electrically connected to the actuation electrode and the first electrically conductive area and to the second electrically conductive area, the control device being configured
  • the actuation voltage can be applied to the actuation electrode, in other words a corresponding potential difference for actuation can be applied between the actuation electrode and the first electrically conductive area.
  • the change in capacitance which the first and the second conductive area form, can be determined, advantageously by a
  • the change in capacitance between the first conductive area and the actuation electrode can also be determined, advantageously also by one or the same evaluation circuit. It is possible to measure the capacities yourself, advantageously over time, or simply to determine their changes. The changes can also advantageously be determined in relation to one another. If the first distance between the mirror devices increases, then a second distance between the first mirror device and the substrate can decrease. Accordingly, a first capacitance between the two mirror devices and a second capacitance between the first mirror device and the actuation electrode can change indirectly (inversely) proportionally to one another. From relations between the value of the capacity and the distance can compared to a known first and / or second distance at a
  • a conclusion about the first and / or second distance can be determined when the first mirror device is deflected. This can be done from a measurement of only one capacitance (first or second) or from changes in both capacities to one another.
  • the interferometer device can be formed as a microelectromechanical component (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical component
  • the control device comprises an evaluation circuit, by means of which a first evaluation voltage can be applied between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area and a second evaluation voltage can be applied between the first electrically conductive area and the actuation electrode via a reference capacitance a
  • Actuation electrode are advantageously considered separately. Evaluation voltages of opposite polarity and advantageously equal in magnitude can compensate each other in an undeflected state of the mirror device.
  • the control device comprises an evaluation circuit through which a first evaluation voltage between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area and a second between the first electrically conductive area and the actuation electrode
  • Evaluation voltage can be applied, which in each case comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage to the second
  • Evaluation voltage has opposite polarity.
  • the evaluation circuit is set up to determine a difference between a change in a first capacitance and a change in a second capacitance, the first electrically conductive area and the second electrically conductive area forming the first capacitance and the first electrically conductive area and the
  • Actuation electrode form the second capacitance.
  • a movement of the mirror device and thus a change in the first and second capacitance can be used directly by means of the evaluation circuit
  • differential signal can be generated, which can have an improved signal-to-noise ratio compared to a single measurement of the capacitance.
  • the evaluation circuit is set up to superimpose the actuation voltage on the second evaluation voltage.
  • the evaluation voltage can be modulated onto an actuation voltage. In this way can be advantageous on a separate Voltage connection for an evaluation voltage on the actuation electrode can be dispensed with.
  • the evaluation voltages can each include an alternating voltage, a frequency of which is above at least a first mechanical resonance frequency of the mirror device at which the
  • Evaluation voltage can be applied (first and / or second). This can advantageously prevent, at least for the most part, that the
  • Evaluation voltages can lead to undesired actuations (movements approximately perpendicular to the mirror surface).
  • Interferometer device in particular the mirror devices, are designed such that the interferometer device or at least one or both mirror devices is in a mechanically aperiodically or supercritically damped state.
  • a mechanical oscillation as a mechanical disturbance can be further reduced by the evaluation voltage. If the actuation voltage is superimposed, the evaluation voltage can be a modulated detection voltage on the
  • electrostatic force are advantageously kept as low as possible.
  • a compromise between the desired signal amplitude can be advantageous here
  • the actuation voltage is an advantageously only slowly changing
  • the first electrically conductive area and / or the second electrically conductive area comprises a circular ring or corresponds to the entire extent of the associated mirror device.
  • the circular ring can each vertically in an area above the
  • Actuating electrode be formed.
  • the entire mirror area that is, the entire surface of the first and / or second mirror device, is conductive and can therefore be actuated and, when the evaluation voltage is applied, can advantageously form a capacitance to the other mirror device in the entire mirror area. In this way, the entire surface of the mirror can be used for capacitive sensing. This can thus enable a measurement with less noise.
  • the actuation electrode comprises a plurality of subsegments which can each be applied to the same or different actuation voltages.
  • the subsegments can also be used to identify differences in the changes in capacitance, which for example is due to inconsistencies or unevenness in the
  • Interferometer device application of an actuation voltage between the actuation electrode and the first electrically conductive region by the control device and actuation of the first mirror device; applying an evaluation voltage between at least the first electrically conductive area and the second electrically conductive area by the
  • Control device determining a change in capacitance at least between the first electrically conductive region and the second electrically conductive region by the control device; and determining the first distance between the first mirror device and the second mirror device from the change in capacitance compared to an undeflected state of the two mirror devices.
  • the method can advantageously also be distinguished by the features already mentioned in connection with the interferometer device and their advantages, and vice versa.
  • a first evaluation voltage is applied between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area and a second evaluation voltage is applied between the first electrically conductive area and the actuation electrode via a reference capacitance, which each comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage has opposite polarity to the second evaluation voltage.
  • a first evaluation voltage is applied between the first electrically conductive region and the second electrically conductive region
  • a second evaluation voltage is applied between the first electrically conductive region and the actuation electrode, each of which comprises an alternating voltage and the first evaluation voltage being the second evaluation voltage polarity is opposite.
  • a difference between a change in a first capacitance and a change in a second capacitance is determined, the first electrically conductive region and the second electrically conductive region forming the first capacitance and the first electrically conductive region and the actuation electrode forming the second capacitance form.
  • FIG. 1a shows a schematic side view of the interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 1b shows a schematic plan view of an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of method steps of a method according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. La shows a schematic side view of the interferometer device according to an embodiment of the present invention.
  • the interferometer device 1 comprises a substrate 2 with an edge structure RS, which is arranged on the substrate 2, and in plan view of a
  • the top O of the substrate 2 runs at least partially laterally around an optical region OB above the substrate 2; a first mirror device SP1, which extends at least in the optical region OB over and spanning the substrate 2 and which is anchored to the edge structure RS; a second mirror device SP2, which extends at least in the optical area OB over the substrate 2 and over the first mirror device SP1 and spanning this and which is anchored to the edge structure RS, the first and second mirror devices (SP1; SP2) in the optical area OB are optional.
  • the interferometer device 1 comprises an actuation electrode AL, which is arranged on the substrate 2 and at least partially laterally runs around a central region MB of the optical region OB, and the first mirror device SP1 at least above the
  • Actuation electrode AL comprises a first electrically conductive area ELI and the second mirror device SP2 comprises at least one second electrically conductive area EL2 above the first electrically conductive area ELI; and a control device SE which is electrically connected to the actuation electrode AL and the first electrically conductive area ELI and to the second electrically conductive area EL2, the control device SE being set up to apply an actuation voltage UAct between the
  • actuation electrode AL and the first electrically conductive area ELI and to apply an evaluation voltage UAus between at least the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 and when the first mirror device is actuated SP1 to determine a first distance dl2 between the first mirror device SP1 and the second mirror device SP2 from a change in capacitance at least between the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2.
  • the actuation electrode AL and the first conductive area ELI or the substrate 2 and the first conductive area ELI can be separated from one another by a second distance d22, which can change upon actuation.
  • At least one or both mirror devices can themselves also comprise a plurality of partial mirror layers if they are designed as Bragg mirrors, for example.
  • the edge structure RS can comprise at least one or more layers, in which at least the first mirror device SP1 or also the second
  • Mirror device SP2 can be framed at their lateral edges.
  • the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 can form the first capacitance CI, and the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL can form the second
  • the first electrically conductive area ELI and / or the second electrically conductive area EL2 can comprise a circular ring or another shape that is closed in plan view, or the whole
  • both mirror devices can be conductive over their entire surface and thus both mirror surfaces can be used to measure capacitance or to change it. Due to the large (entire) mirror surface for measuring the capacitance or changing it, the measurement can advantageously be reduced in noise.
  • An advantageous design of the first and / or second electrically conductive area ELI or EL2 allows any electrostatic attractions F due to the evaluation voltage between the mirror devices, in particular their conductive areas, to be reduced if the area of the conductive areas
  • a circular ring shape can be a suitable compromise between the desired signal amplitude
  • the first conductive area ELI can be located at least above the actuation electrode AL and the second conductive area EL2 can be located at least above the first conductive area ELI.
  • Fig. Lb shows a schematic plan view of an interferometer device according to an embodiment of the present invention.
  • the interferometer device 1 can in plan view on a plane of
  • Actuation electrode AL be designed.
  • the substrate can advantageously be rectangular (only a circular section shown here).
  • the exposed areas of the mirror devices, in particular the optical area and the central area MB provided for light transmission or light filtering, can also be circular and laterally completely encompassed by a circular edge structure RS.
  • the actuation electrode AL can be formed continuously without interruptions and with the same radial thickness over an azimuthal angle f.
  • Fig. 2 shows an electronic circuit for evaluating capacities.
  • a first evaluation voltage UAusl can be applied by the control device and between the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL, a second evaluation voltage UAus2 can be applied via a reference capacitance through the
  • Control device each of which comprises an AC voltage and wherein the first evaluation voltage UAusl to the second Evaluation voltage UAus2 can have opposite polarity and, for example, both evaluation voltages can be identical with their absolute value.
  • the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 can form the first capacitance CI and the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL can form the second capacitance C2.
  • the actuation electrode AL can be connected to a
  • the first capacitance CI and the second capacitance C2 can change inversely proportional to one another.
  • the measurement of the first capacitance CI or its change can be applied by the
  • Evaluation voltages UAusl and UAus2 take place, the first area ELI between the first and second capacitance being able to be connected to a negative input of an operational amplifier, which can advantageously be connected to a ground potential.
  • This circuit represents a CU converter (capacitance-to-voltage converter, like an evaluation for acceleration sensors).
  • the second evaluation voltage UAus2 can then be inverted to the first between the first electrically conductive region ELI and the actuation electrode via a reference capacitor Cref
  • Evaluation voltage UAusl can be applied.
  • the output signal Vout obtained at the output can be an alternating voltage, which can be proportional to the difference between the two capacitances CI and Cref.
  • the Cref is typically included in the control device (which can comprise an ASIC, application specific integrated circuit). Compared with a known undeflected state of rest, the change in the first distance and then in the actual distance between the two mirror devices can be determined.
  • the reference capacitor Cref can advantageously have the same value as the first capacitance in the undeflected state.
  • the evaluation By applying the evaluation voltages to the first capacitance, the greatest possible decoupling can take place between the actuation and the measurement of the first distance.
  • the evaluation itself can also continue to be implemented by various circuit concepts, for example by using the first or second Capacitance as a frequency-determining element in an oscillator or through a bridge circuit with a high-frequency signal.
  • Fig. 3 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for a
  • Interferometer device without the use of a reference capacitance Cref.
  • a first evaluation voltage UAusl can be used between the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 and a second between the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL Evaluation voltage UAus2 are applied, each of which comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage UAusl to the second
  • Evaluation voltage UAus2 can be modulated onto the actuation voltage UAct.
  • a differential signal Vout can be generated directly by means of the evaluation circuit from a movement of the first mirror device and thus a change in the capacitances CI and C2, which can have an improved signal-to-noise ratio for the individual measurement of the first capacitance according to FIG. Possibly in the evaluation voltage UAusl and / or UAus2
  • any interference caused by electrically coupled signals can be compensated for by the difference in the signals, advantageously canceling each other out through differential evaluation. Since both capacitances CI and C2 are measured, there is no need for an additional reference capacitance.
  • the first area ELI can in turn be pulled to a ground potential at the operational amplifier Op.
  • the output signal Vout obtained at the output can be an alternating voltage which is proportional to the difference between the two
  • Capacities can be CI and C2.
  • the first and second capacitors CI and C2 can advantageously be the same in the rest position through a suitable geometric design, but can also be different. The difference can be compensated for by an asymmetry of the two evaluation voltages.
  • the amplitude of the first evaluation voltage UAusl can differ accordingly from the amplitude of the second evaluation voltage UAus2. It is true that in this evaluation circuit the complete separation of
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the interferometer device 1 can in plan view on a plane of
  • Actuation electrode AL be designed.
  • the exposed areas of the mirror devices in particular the optical area and the central area MB provided for light transmission or light filtering, can also be circular and laterally completely encompassed by a circular edge structure RS.
  • the actuation electrode AL can continuously without
  • Interruptions and be formed with an equal radial thickness over an azimuthal angle f.
  • the actuation electrode AL can be divided into several
  • Sub-segments can be subdivided, which can be spaced from one another or adjoin one another (not shown).
  • the subsegments ALa; ALb; ...; AL2n can each be applied to the same or to different actuation voltages. If the first or second mirror device is uneven, different
  • Actuating electrode AL are applied and bumps in the first Mirror device SP1 or second mirror device SP2 in such a way
  • Mirror device SP2 can be deflected and positioned.
  • the first and / or second conductive region ELI, EL2 can also comprise subsegments.
  • Fig. 5 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for a
  • the evaluation circuit of FIG. 5 essentially corresponds to that of FIG. 3, but with an extension to three subsegments ALa, ALb and ALc of the actuation electrode.
  • a first actuation voltage UAktl can be applied to the first sub-segment ALa and the first electrically conductive area ELI
  • a second actuation voltage UAkt2 can be applied to the second sub-segment ALb
  • a third actuation voltage UAkt3 can be applied to the third sub-segment ALc. If necessary, these three actuation voltages can differ from one another or be the same.
  • the second evaluation voltage UAus2 can be applied to the three subsegments ALa, ALb and ALc simultaneously or differently (in terms of time or value) as required.
  • Sub-segments advantageously have a second partial capacitance C2a, a second partial capacitance C2b and a third partial capacitance C2c, which can produce a differential output signal with respect to the first capacitance CI according to the circuit from FIG. 3 via the evaluation circuit.
  • the first area ELI can in turn be switched to the operational amplifier Op.
  • an unevenness asymmetrical change in the difference signal compared to other subsegments
  • the unevenness can then be compensated for by the appropriately adjusted actuation voltages.
  • an interferometer device according to the invention is provided S1; application S2 of an actuation voltage between the actuation electrode and the first electrically conductive region by the control device and actuation of the first mirror device; application S3 of an evaluation voltage between at least the first electrically conductive area and the second electrically conductive area by the control device; determining S4 a change in capacitance at least between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area by the control device; and
  • Embodiment has been fully described above, it is not limited to it, but can be modified in many ways.

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Abstract

The present invention relates to an interferometer device (1) comprising a substrate (2); a first mirror device (SP1); a second mirror device (SP2); an actuating electrode (AL), which is arranged on the substrate (2), wherein the first mirror device (SP1) comprises a first electrically conductive region (EL1) at least over the actuating electrode (AL), and the second mirror device (SP2) comprises at least one second electrically conductive region (EL2) over the first electrically conductive region (EL1); and a control device (SE), wherein the control device (SE) is designed to apply an actuation voltage (UAkt) between the actuation electrode (AL) and the first electrically conductive region (EL1) and to apply an evaluation voltage (UAus) between at least the first electrically conductive region (EL1) and the second electrically conductive region (EL2) and, in the event of an actuating of the first mirror device (SP1), to determine, from a capacitance change at least between the first electrically conductive region (EL1) and the second electrically conductive region (EL2), a first distance (d12) between the first mirror device (SP1) and the second mirror device (SP2).

Description

Titel title
Interferometereinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Interferometer device and method for operating a
Interferometereinrichtung Interferometer device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferometereinrichtung und ein The present invention relates to an interferometer device and a
Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung. Method for operating an interferometer device.
Stand der Technik State of the art
Aus Fabry-Perot Interferometern (FPI) ist es vorteilhaft möglich in Wellenlängen durchstimmbare spektrale Filter mit einem hohen Grad einer Miniaturisierung zu erzielen. Hierzu kann sich vorteilhaft MEMS-Technologie eignen From Fabry-Perot interferometers (FPI) it is advantageously possible to achieve wavelength-tunable spectral filters with a high degree of miniaturization. MEMS technology can advantageously be suitable for this purpose
(mikroelektromechanische Bauteile). Es kann dabei ausgenutzt werden, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigt, für welche die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Durch die (microelectromechanical components). Use can be made of the fact that a cavity consisting of two plane-parallel, highly reflective mirrors with a distance (cavity length) in the range of optical wavelengths shows strong transmission only for wavelengths for which the cavity length corresponds to an integral multiple of half the wavelength. Through the
Anwendung beispielsweise elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktoren kann die Kavitätslänge verändert werden. Somit kann ein die Wellenlängen der Transmission veränderliches (spektral durchstimmbares) Filterelement bereitgestellt werden. Die Funktion eines solchen Spektrometers kann dabei stark von der Parallelität der beiden Spiegel abhängen, wobei diese möglichst hoch sein sollte, sodass zwischen den beiden Spiegeln eine definierte Kavität mit einer möglichst hohen Finesse (Verhältnis des Abstands zweier benachbarter Interferenzmaxima und der Halbwertsbreite eines einzelnen If, for example, electrostatic or piezoelectric actuators are used, the cavity length can be changed. A filter element which can be varied (spectrally tunable) in terms of the wavelengths of the transmission can thus be provided. The function of such a spectrometer can strongly depend on the parallelism of the two mirrors, whereby this should be as high as possible so that a defined cavity with the highest possible finesse (ratio of the distance between two adjacent interference maxima and the half-width of a single one
Interferenzmaximums) entsteht. Es ist hierzu die Anwendung zweier Spiegel möglich, die auf zwei massiven, biegesteifen Substraten aufgebracht werden, die später aneinander gebondet werden können. Eine Messung der Größe des Abstands zwischen den Spiegeln bei üblichen FPIs erfolgt meist durch eine Rückmessung des optischen Spiegelabstands über die Aktuierungselektroden oder separate Elektroden, wobei üblicherweise alle Elektroden den gleichen oder einen unterschiedlichen Abstand aufweisen können, die Charakteristik ist jedoch immer die gleiche: Interference maximum) arises. For this purpose, it is possible to use two mirrors, which are applied to two solid, rigid substrates that can later be bonded to one another. The size of the distance between the mirrors in conventional FPIs is usually measured by back-measuring the optical mirror distance using the actuation electrodes or separate electrodes, whereby all electrodes can usually have the same or a different distance, but the characteristics are always the same:
In der US2014/0022643 Al wird ein wellenlängenvariables Interferenzfilter mit einem beweglichen Substrat und einem stationären Substrat beschrieben, wobei die beiden Substrate unterschiedliche Kapazitäten sowie Abstände bilden können. US2014 / 0022643 A1 describes a wavelength-variable interference filter with a movable substrate and a stationary substrate, the two substrates being able to form different capacitances and distances.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung nach The present invention provides an interferometer device according to claim 1 and a method for operating an interferometer device according to claim 1
Anspruch 9. Claim 9.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Preferred further developments are the subject of the subclaims.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Interferometereinrichtung mit einer verbesserten Möglichkeit zur The idea on which the present invention is based is to provide an interferometer device with an improved possibility for
Abstandsbestimmung zwischen den beiden Spiegeln bereitzustellen. Provide distance determination between the two mirrors.
Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung ein Substrat mit einer Randstruktur, welche auf dem Substrat angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine Oberseite des Substrats einen optischen Bereich über dem Substrat zumindest teilweise lateral umläuft; eine erste Spiegeleinrichtung, welche sich zumindest im optischen Bereich über dem Substrat und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur verankert ist; eine zweite Spiegeleinrichtung, welche sich zumindest im optischen Bereich über dem Substrat und über der ersten Spiegeleinrichtung und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung im optischen Bereich freigestellt sind; eine Aktuierungselektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist und einen Mittelbereich des optischen Bereichs zumindest teilweise lateral umläuft, und wobei erste Spiegeleinrichtung zumindest über der Aktuierungselektrode einen ersten elektrisch leitenden Bereich umfasst und die zweite Spiegeleinrichtung zumindest einen zweiten elektrisch leitenden Bereich über dem ersten elektrisch leitenden Bereich umfasst; und eine Steuereinrichtung, welche mit der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich und mit dem zweiten elektrisch leitenden Bereich elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich anzulegen und eine Auswertungsspannung zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung aus einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich einen ersten Abstand zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung zu bestimmen. According to the invention, the interferometer device comprises a substrate with an edge structure which is arranged on the substrate and, in a plan view of an upper side of the substrate, at least partially laterally runs around an optical region above the substrate; a first mirror device which extends at least in the optical region over and spanning the substrate and which is anchored to the edge structure; a second mirror device, which extends at least in the optical region over the substrate and over the first mirror device and spans the latter and which is anchored to the edge structure, the first and second mirror devices being exposed in the optical region; an actuation electrode which is placed on the The substrate is arranged and at least partially laterally runs around a central region of the optical region, and wherein the first mirror device comprises a first electrically conductive region at least above the actuation electrode and the second mirror device comprises at least one second electrically conductive region above the first electrically conductive region; and a control device which is electrically connected to the actuation electrode and the first electrically conductive area and to the second electrically conductive area, the control device being configured to apply an actuation voltage between the actuation electrode and the first electrically conductive area and an evaluation voltage between at least the to apply the first electrically conductive region and the second electrically conductive region and, when the first mirror device is actuated, to determine a first distance between the first mirror device and the second mirror device from a change in capacitance at least between the first electrically conductive region and the second electrically conductive region.
Die Aktuationsspannung kann an die Aktuationselektrode angelegt werden, mit anderen Worten kann eine entsprechende Potentialdifferenz zum Aktuieren zwischen der Aktuationselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich angelegt werden. Zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich kann die Änderung der Kapazität, welche der erste und der zweite leitende Bereich bilden, ermittelt werden, vorteilhaft durch eine The actuation voltage can be applied to the actuation electrode, in other words a corresponding potential difference for actuation can be applied between the actuation electrode and the first electrically conductive area. Between the first and the second electrically conductive area, the change in capacitance, which the first and the second conductive area form, can be determined, advantageously by a
Auswerteschaltung. Des Weiteren kann auch die Änderung der Kapazität zwischen den ersten leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode ermittelt werden, vorteilhaft auch durch eine oder dieselbe Auswerteschaltung. Es ist möglich die Kapazitäten selbst zu messen, vorteilhaft über die Zeit, oder lediglich deren Änderungen zu ermitteln. Die Änderungen können auch vorteilhaft in Relation zu einander ermittelt werden. Wenn sich der erste Abstand zwischen den Spiegeleinrichtungen vergrößert, dann kann sich ein zweiter Abstand zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und dem Substrat verkleinern. Es können sich demnach eine erste Kapazität zwischen den beiden Spiegeleinrichtungen und eine zweite Kapazität zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der Aktuierungselektrode indirekt (umgekehrt) proportional zueinander verändern. Aus Relationen zwischen dem Wert der Kapazität und dem Abstand kann gegenüber einem bekannten ersten und/oder zweiten Abstand bei einer Evaluation circuit. Furthermore, the change in capacitance between the first conductive area and the actuation electrode can also be determined, advantageously also by one or the same evaluation circuit. It is possible to measure the capacities yourself, advantageously over time, or simply to determine their changes. The changes can also advantageously be determined in relation to one another. If the first distance between the mirror devices increases, then a second distance between the first mirror device and the substrate can decrease. Accordingly, a first capacitance between the two mirror devices and a second capacitance between the first mirror device and the actuation electrode can change indirectly (inversely) proportionally to one another. From relations between the value of the capacity and the distance can compared to a known first and / or second distance at a
Ruhelage der ersten Spiegeleinrichtung (nicht ausgelenkt) ein Rückschluss auf den ersten und/oder zweiten Abstand bei ausgelenkter erster Spiegeleinrichtung ermittelt werden. Dies kann aus einer Messung nur einer Kapazität (erste oder zweite) erfolgen oder aus Änderungen beider Kapazitäten zueinander. Rest position of the first mirror device (not deflected) a conclusion about the first and / or second distance can be determined when the first mirror device is deflected. This can be done from a measurement of only one capacitance (first or second) or from changes in both capacities to one another.
Die Interferometereinrichtung kann als ein mikroelektromechanisches Bauteil ausgeformt sein (MEMS). The interferometer device can be formed as a microelectromechanical component (MEMS).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Steuereinrichtung eine Auswerteschaltung, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode über eine Referenzkapazität eine zweite Auswertungsspannung anlegbar ist, welche jeweils eine According to a preferred embodiment of the interferometer device, the control device comprises an evaluation circuit, by means of which a first evaluation voltage can be applied between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area and a second evaluation voltage can be applied between the first electrically conductive area and the actuation electrode via a reference capacitance a
Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist. Comprises alternating voltage and wherein the first evaluation voltage has opposite polarity to the second evaluation voltage.
Bei einer Bewegung der Spiegeleinrichtung können Veränderungen in den Kapazitäten zwischen den elektrisch leitenden Bereichen und der When the mirror device is moved, changes in the capacitance between the electrically conductive areas and the
Aktuierungselektrode vorteilhaft getrennt betrachtet werden. Gegengepolte und vorteilhaft im Betrag gleiche Auswertungsspannungen können sich in einem unausgelenkten Zustand der Spiegeleinrichtung kompensieren. Actuation electrode are advantageously considered separately. Evaluation voltages of opposite polarity and advantageously equal in magnitude can compensate each other in an undeflected state of the mirror device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Steuereinrichtung eine Auswerteschaltung, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode eine zweite According to a preferred embodiment of the interferometer device, the control device comprises an evaluation circuit through which a first evaluation voltage between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area and a second between the first electrically conductive area and the actuation electrode
Auswertungsspannung anlegbar ist, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Evaluation voltage can be applied, which in each case comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage to the second
Auswertungsspannung gegengepolt ist. Evaluation voltage has opposite polarity.
Falls in einer der Auswertungsspannungen Störungen durch elektrisch eingekoppelte Signale vorhanden sind, können diese durch die Differenz der Signale ausgeglichen werden, vorteilhaft sich durch differentielle Auswertung aufheben. Da beide Kapazitäten direkt gemessen werden können, kann auf eine zusätzliche Referenzkapazität verzichtet werden. If there are interference from electrically coupled signals in one of the evaluation voltages, these can be caused by the difference in Signals are compensated, advantageously cancel each other out by differential evaluation. Since both capacitances can be measured directly, there is no need for an additional reference capacitance.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität und einer Änderung einer zweiten Kapazität zu ermitteln, wobei der erste elektrisch leitende Bereich und der zweite elektrisch leitende Bereich die erste Kapazität bilden und der erste elektrisch leitende Bereich und die According to a preferred embodiment of the interferometer device, the evaluation circuit is set up to determine a difference between a change in a first capacitance and a change in a second capacitance, the first electrically conductive area and the second electrically conductive area forming the first capacitance and the first electrically conductive area and the
Aktuierungselektrode die zweite Kapazität bilden. Actuation electrode form the second capacitance.
Aus einer Bewegung der Spiegeleinrichtung und somit einer Änderung der ersten und zweiten Kapazität kann mittels der Auswerteschaltung direkt ein A movement of the mirror device and thus a change in the first and second capacitance can be used directly by means of the evaluation circuit
differentielles Signal erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-Rausch- Verhältnis im Vergleich zu einer einzelnen Messung der Kapazitäten aufweisen kann. differential signal can be generated, which can have an improved signal-to-noise ratio compared to a single measurement of the capacitance.
Durch die Vermessung einer Änderung der beiden Kapazitäten kann eine differentielle Messung der Kapazitäten (erste und zweite) und eine differentielle Messung von deren Änderungen erfolgen. Alle Kapazitäten können mit sich verringerndem Abstand ansteigen. Eine vorteilhafte differentielle Messung, bei der sich die Kapazitäten idealerweise gegenläufig verändern, wie dies bei mikromechanischen Beschleunigungs- oder Drehratensensoren erfolgen kann, ist bei üblichen Interferometereinrichtungen nicht bekannt. Mit einer Vermessung der ersten und zweiten Kapazität kann bei Aktuierung die eine Kapazität steigen und die andere sich verringern, vorteilhaft in gleichem Grad (Größenordnung). Somit kann eine differentielle Auswertung beider Kapazitäten relativ zueinander erfolgen. By measuring a change in the two capacitances, a differential measurement of the capacitances (first and second) and a differential measurement of their changes can take place. All capacities can increase as the distance decreases. An advantageous differential measurement in which the capacitances ideally change in opposite directions, as can be done with micromechanical acceleration or rotation rate sensors, is not known in conventional interferometer devices. With a measurement of the first and second capacitance, when actuated, one capacitance can increase and the other decrease, advantageously to the same degree (order of magnitude). A differential evaluation of the two capacitances can thus take place relative to one another.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, die zweite Auswertungsspannung mit der Aktuationsspannung zu überlagern. According to a preferred embodiment of the interferometer device, the evaluation circuit is set up to superimpose the actuation voltage on the second evaluation voltage.
Die Auswertungsspannung kann auf eine Aktuationsspannung aufmoduliert werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf einen separaten Spannungsanschluss für eine Auswertungsspannung an der Aktuierungselektrode verzichtet werden. The evaluation voltage can be modulated onto an actuation voltage. In this way can be advantageous on a separate Voltage connection for an evaluation voltage on the actuation electrode can be dispensed with.
Die Auswertungsspannungen können jeweils eine Wechselspannung umfassen, wobei eine Frequenz dieser oberhalb zumindest einer ersten mechanischen Resonanzfrequenz der Spiegeleinrichtung sein, an welcher die The evaluation voltages can each include an alternating voltage, a frequency of which is above at least a first mechanical resonance frequency of the mirror device at which the
Auswertungsspannung angelegt werden kann (erste und/oder zweite). Dadurch kann es vorteilhaft verhindert werden, zumindest größtenteils, dass die Evaluation voltage can be applied (first and / or second). This can advantageously prevent, at least for the most part, that the
Auswertungsspannungen zu unerwünschten Aktuierungen (Bewegungen etwa senkrecht zur Spiegeloberfläche) führen können. Hierbei kann die Evaluation voltages can lead to undesired actuations (movements approximately perpendicular to the mirror surface). Here the
Interferometereinrichtung, insbesondere die Spiegeleinrichtungen, derart ausgelegt werden, dass sich die Interferometereinrichtung oder zumindest eine oder beide Spiegeleinrichtungen in einem mechanisch aperiodisch oder überkritisch gedämpften Zustand befindet. Dadurch kann eine mechanische Schwingung durch die Auswertungsspannung als mechanische Störung weiter verringert werden. Die Auswertungsspannung kann bei einer Überlagerung der Aktuationsspannung eine aufmodulierte Detektionsspannung an der Interferometer device, in particular the mirror devices, are designed such that the interferometer device or at least one or both mirror devices is in a mechanically aperiodically or supercritically damped state. As a result, a mechanical oscillation as a mechanical disturbance can be further reduced by the evaluation voltage. If the actuation voltage is superimposed, the evaluation voltage can be a modulated detection voltage on the
Aktuierungselektrode (oder zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten leitfähigen Bereich) darstellen. Durch eine entsprechende Wahl der Größe der Auswertungsspannungen, vorteilhaft möglichst gering, kann eine durch die Auswertungsspannungen an den Spiegeleinrichtungen ausgelöste Represent the actuation electrode (or between the actuation electrode and the first conductive area). A corresponding selection of the size of the evaluation voltages, advantageously as small as possible, can trigger a signal triggered by the evaluation voltages on the mirror devices
elektrostatische Kraft vorteilhaft möglichst gering gehalten werden. Hierbei kann vorteilhaft ein Kompromiss zwischen gewünschter Signalamplitude der electrostatic force are advantageously kept as low as possible. A compromise between the desired signal amplitude can be advantageous here
Auswertungsspannungen und somit eines Messsignals für die Kapazität oder deren Änderung und dem ungewünschten elektromechanischen Effekt eingenommen werden. Evaluation voltages and thus a measurement signal for the capacitance or its change and the undesired electromechanical effect are taken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Aktuationsspannung eine, vorteilhaft sich nur langsam ändernde, According to a preferred embodiment of the interferometer device, the actuation voltage is an advantageously only slowly changing,
Gleichspannung. DC voltage.
Durch eine sich verhältnismäßig langsam ändernde Aktuationsspannung können bestimmte Abstände der Spiegeleinrichtung für einen bestimmten Zeitabschnitt konstant gehalten werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst der erste elektrisch leitende Bereich und/oder der zweite elektrisch leitende Bereich einen Kreisring oder entspricht der gesamten Ausdehnung der zugehörigen Spiegeleinrichtung. By means of an actuation voltage that changes relatively slowly, certain distances between the mirror device can be kept constant for a certain period of time. According to a preferred embodiment of the interferometer device, the first electrically conductive area and / or the second electrically conductive area comprises a circular ring or corresponds to the entire extent of the associated mirror device.
Der Kreisring kann jeweils in einem Bereich vertikal über der The circular ring can each vertically in an area above the
Aktuierungselektrode ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der gesamte Spiegelbereich, also die gesamte Fläche der ersten und/oder zweiten Spiegeleinrichtung leitfähig ist und dadurch sowohl aktuierbar ist und bei angelegter Auswertungsspannung vorteilhaft im gesamten Spiegelbereich eine Kapazität zur anderen Spiegeleinrichtung bilden kann. Auf diese Weise kann hier die gesamte Fläche der Spiegel zur kapazitiven Sensierung verwendet werden. Dies kann somit eine rauschärmere Messung ermöglichen. Actuating electrode be formed. However, it is also possible that the entire mirror area, that is, the entire surface of the first and / or second mirror device, is conductive and can therefore be actuated and, when the evaluation voltage is applied, can advantageously form a capacitance to the other mirror device in the entire mirror area. In this way, the entire surface of the mirror can be used for capacitive sensing. This can thus enable a measurement with less noise.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Aktuierungselektrode mehrere Teilsegmente, welche jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen anlegbar sind. According to a preferred embodiment of the interferometer device, the actuation electrode comprises a plurality of subsegments which can each be applied to the same or different actuation voltages.
Durch Teilsegmente können Unebenheiten in der Lage der Spiegeleinrichtung oder in der Spiegeleinrichtung selbst erkannt und/oder kompensiert werden, etwa beim Aktuieren. Durch die Teilsegmente können beim Ermitteln der zugehörigen Teilkapazitäten auch Unterschiede in den Kapazitätsänderungen erkannt werden, was beispielsweise auf Schieflagen oder Unebenheiten in der By means of subsegments, unevenness in the position of the mirror device or in the mirror device itself can be recognized and / or compensated for, for example during actuation. When determining the associated partial capacities, the subsegments can also be used to identify differences in the changes in capacitance, which for example is due to inconsistencies or unevenness in the
Spiegeleinrichtung oder der Aktuierungselektrode schließen lässt. Mirror device or the actuation electrode can close.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer According to the invention, the method for operating a
Interferometereinrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Interferometer device providing an inventive
Interferometereinrichtung; ein Anlegen einer Aktuationsspannung zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung und ein Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung; ein Anlegen einer Auswertungsspannung zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Interferometer device; application of an actuation voltage between the actuation electrode and the first electrically conductive region by the control device and actuation of the first mirror device; applying an evaluation voltage between at least the first electrically conductive area and the second electrically conductive area by the
Steuereinrichtung; ein Bestimmen einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; und ein Bestimmen des ersten Abstands zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Kapazitätsänderung gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Spiegeleinrichtungen. Control device; determining a change in capacitance at least between the first electrically conductive region and the second electrically conductive region by the control device; and determining the first distance between the first mirror device and the second mirror device from the change in capacitance compared to an undeflected state of the two mirror devices.
Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit der Interferometereinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt. The method can advantageously also be distinguished by the features already mentioned in connection with the interferometer device and their advantages, and vice versa.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung über eine Referenzkapazität angelegt, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist. According to a preferred embodiment of the method, a first evaluation voltage is applied between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area and a second evaluation voltage is applied between the first electrically conductive area and the actuation electrode via a reference capacitance, which each comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage has opposite polarity to the second evaluation voltage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung angelegt, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist. According to a preferred embodiment of the method, a first evaluation voltage is applied between the first electrically conductive region and the second electrically conductive region, and a second evaluation voltage is applied between the first electrically conductive region and the actuation electrode, each of which comprises an alternating voltage and the first evaluation voltage being the second evaluation voltage polarity is opposite.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität und einer Änderung einer zweiten Kapazität ermittelt, wobei der erste elektrisch leitende Bereich und der zweite elektrisch leitende Bereich die erste Kapazität bilden und der erste elektrisch leitende Bereich und die Aktuierungselektrode die zweite Kapazität bilden. According to a preferred embodiment of the method, a difference between a change in a first capacitance and a change in a second capacitance is determined, the first electrically conductive region and the second electrically conductive region forming the first capacitance and the first electrically conductive region and the actuation electrode forming the second capacitance form.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden According to a preferred embodiment of the method
unterschiedliche Aktuationsspannungen an Teilsegmente der different actuation voltages on sub-segments of the
Aktuierungselektrode angelegt und Unebenheiten in der ersten Actuation electrode applied and bumps in the first
Spiegeleinrichtung derart beim Aktuieren kompensiert, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung im Mittelbereich parallel zur zweiten Mirror device compensated during actuation in such a way that, when actuated, the first mirror device in the central region is parallel to the second
Spiegeleinrichtung ausgelenkt und positioniert wird. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügtenMirror device is deflected and positioned. Further features and advantages of embodiments of the invention emerge from the following description with reference to the attached
Zeichnungen. Drawings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischenThe present invention is described below with reference to the schematic
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Figures of the drawing illustrated embodiments specified.
Es zeigen: Show it:
Fig. la eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; 1a shows a schematic side view of the interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. lb eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; 1b shows a schematic plan view of an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine elektronische Schaltung zur Auswertung von Kapazitäten; 2 shows an electronic circuit for evaluating capacitances;
Fig. 3 eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; 3 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for an interferometer device according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; 4 shows a schematic plan view of an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 5 eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden 5 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention; and 6 shows a schematic block diagram of method steps of a method according to an exemplary embodiment of the present invention
Erfindung. Invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. In the figures, the same reference symbols denote identical or functionally identical elements.
Fig. la zeigt eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. La shows a schematic side view of the interferometer device according to an embodiment of the present invention.
Die Interferometereinrichtung 1 umfasst ein Substrat 2 mit einer Randstruktur RS, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine The interferometer device 1 comprises a substrate 2 with an edge structure RS, which is arranged on the substrate 2, and in plan view of a
Oberseite O des Substrats 2 einen optischen Bereich OB über dem Substrat 2 zumindest teilweise lateral umläuft; eine erste Spiegeleinrichtung SP1, welche sich zumindest im optischen Bereich OB über dem Substrat 2 und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur RS verankert ist; eine zweite Spiegeleinrichtung SP2, welche sich zumindest im optischen Bereich OB über dem Substrat 2 und über der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur RS verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung (SP1; SP2) im optischen Bereich OB freigestellt sind. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung 1 eine Aktuierungselektrode AL, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist und einen Mittelbereich MB des optischen Bereichs OB zumindest teilweise lateral umläuft, und wobei die erste Spiegeleinrichtung SP1 zumindest über der The top O of the substrate 2 runs at least partially laterally around an optical region OB above the substrate 2; a first mirror device SP1, which extends at least in the optical region OB over and spanning the substrate 2 and which is anchored to the edge structure RS; a second mirror device SP2, which extends at least in the optical area OB over the substrate 2 and over the first mirror device SP1 and spanning this and which is anchored to the edge structure RS, the first and second mirror devices (SP1; SP2) in the optical area OB are optional. Furthermore, the interferometer device 1 comprises an actuation electrode AL, which is arranged on the substrate 2 and at least partially laterally runs around a central region MB of the optical region OB, and the first mirror device SP1 at least above the
Aktuierungselektrode AL einen ersten elektrisch leitenden Bereich ELI umfasst und die zweite Spiegeleinrichtung SP2 zumindest einen zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 über dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI umfasst; und eine Steuereinrichtung SE, welche mit der Aktuierungselektrode AL und dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und mit dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung SE dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung UAkt zwischen der Actuation electrode AL comprises a first electrically conductive area ELI and the second mirror device SP2 comprises at least one second electrically conductive area EL2 above the first electrically conductive area ELI; and a control device SE which is electrically connected to the actuation electrode AL and the first electrically conductive area ELI and to the second electrically conductive area EL2, the control device SE being set up to apply an actuation voltage UAct between the
Aktuierungselektrode AL und dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI anzulegen und eine Auswertungsspannung UAus zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung SP1 aus einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 einen ersten Abstand dl2 zwischen der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 zu bestimmen. Die Aktuierungselektrode AL und der erste leitende Bereich ELI oder das Substrat 2 und der erste leitende Bereich ELI können um einen zweiten Abstand d22 voneinander entfernt sein, welcher sich bei Aktuierung verändern kann. To apply actuation electrode AL and the first electrically conductive area ELI and to apply an evaluation voltage UAus between at least the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 and when the first mirror device is actuated SP1 to determine a first distance dl2 between the first mirror device SP1 and the second mirror device SP2 from a change in capacitance at least between the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2. The actuation electrode AL and the first conductive area ELI or the substrate 2 and the first conductive area ELI can be separated from one another by a second distance d22, which can change upon actuation.
Zumindest eine oder beide Spiegeleinrichtungen können selbst auch mehrere Spiegelteilschichten umfassen, wenn sie bspw. als Bragg-Spiegel ausgelegt sind. At least one or both mirror devices can themselves also comprise a plurality of partial mirror layers if they are designed as Bragg mirrors, for example.
Die Randstruktur RS kann zumindest eine oder mehrere Schichten umfassen, in welche zumindest die erste Spiegeleinrichtung SP1 oder auch die zweite The edge structure RS can comprise at least one or more layers, in which at least the first mirror device SP1 or also the second
Spiegeleinrichtung SP2 an deren lateralen Rändern eingefasst sein kann. Mirror device SP2 can be framed at their lateral edges.
Der erste elektrisch leitende Bereich ELI und der zweite elektrisch leitende Bereich EL2 können die erste Kapazität CI bilden und der erste elektrisch leitende Bereich ELI und die Aktuierungselektrode AL können die zweite The first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 can form the first capacitance CI, and the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL can form the second
Kapazität C2 bilden. Hierbei können der erste elektrisch leitende Bereich ELI und/oder der zweite elektrisch leitende Bereich EL2 einen Kreisring oder eine andere in Draufsicht geschlossene Form umfassen oder der gesamten Form capacitance C2. In this case, the first electrically conductive area ELI and / or the second electrically conductive area EL2 can comprise a circular ring or another shape that is closed in plan view, or the whole
Ausdehnung der zugehörigen Spiegeleinrichtung entsprechen, also der gesamte (freigestellte oder ganze) Spiegel kann elektrisch leitfähig sein. Beispielsweise können beide Spiegeleinrichtungen über deren gesamte Fläche leitfähig sein und somit beide Spiegelflächen zur Kapazitätsmessung oder deren Änderung genutzt werden. Durch die große (gesamte) Spiegelfläche zur Messung der Kapazität oder deren Änderung kann die Messung vorteilhaft rauschärmer werden. Durch eine vorteilhafte Auslegung des ersten und/oder zweiten elektrisch leitenden Bereichs ELI oder EL2 können etwaige elektrostatische Anziehungen F durch die Auswertungsspannung zwischen den Spiegeleinrichtungen, insbesondere deren leitender Bereiche, verringert werden falls die Fläche der leitenden Corresponding expansion of the associated mirror device, so the entire (exposed or entire) mirror can be electrically conductive. For example, both mirror devices can be conductive over their entire surface and thus both mirror surfaces can be used to measure capacitance or to change it. Due to the large (entire) mirror surface for measuring the capacitance or changing it, the measurement can advantageously be reduced in noise. An advantageous design of the first and / or second electrically conductive area ELI or EL2 allows any electrostatic attractions F due to the evaluation voltage between the mirror devices, in particular their conductive areas, to be reduced if the area of the conductive areas
Bereiche in den Spiegeleinrichtungen gegenüber der Gesamtfläche der Areas in the mirror devices compared to the total area of the
Spiegeleinrichtungen verringert wird. Hierbei kann eine Kreisringform einen geeigneten Kompromiss zwischen gewünschter Signalamplitude der Mirror devices is reduced. Here, a circular ring shape can be a suitable compromise between the desired signal amplitude
Auswertungsspannungen und somit eines Messsignals für die Kapazität oder deren Änderung und dem ungewünschten elektrostatischen Effekt eingenommen werden. Evaluation voltages and thus a measurement signal for the capacitance or their change and the undesired electrostatic effect are taken.
Für eine Auslegung der leitenden Bereiche ELI und EL2 abweichend von einer Gesamtfläche (freigestellten Fläche) der Spiegel SP1; Sp2 kann sich der erste leitende Bereich ELI zumindest über der Aktuierungselektrode AL befinden und der zweite leitende Bereich EL2 zumindest über dem ersten leitenden Bereich ELI befinden. For a design of the conductive areas ELI and EL2 deviating from a total area (exposed area) of the mirror SP1; Sp2, the first conductive area ELI can be located at least above the actuation electrode AL and the second conductive area EL2 can be located at least above the first conductive area ELI.
Fig. lb zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. Lb shows a schematic plan view of an interferometer device according to an embodiment of the present invention.
Die Interferometereinrichtung 1 kann in Draufsicht auf eine Ebene der The interferometer device 1 can in plan view on a plane of
Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) als eine kreisrunde Interferometereinrichtung 1 mit kreisrunden Spiegeleinrichtungen SP1; SP2, einem kreisrunden Mirror devices (SP1; SP2) as a circular interferometer device 1 with circular mirror devices SP1; SP2, a circular one
Substratausschnitt mit einer Oberseite O und mit einer kreisrunden Substrate cutout with an upper side O and with a circular one
Aktuierungselektrode AL ausgestaltet sein. Das Substrat kann dabei vorteilhaft rechteckig sein (hier nur ein kreisrunder Ausschnitt gezeigt). Hierbei können auch die freigestellten Bereiche der Spiegeleinrichtungen, insbesondere der optische Bereich und der für eine Lichttransmission oder Lichtfilterung vorgesehen Mittelbereich MB kreisrund sein und von einer kreisrunden Randstruktur RS lateral vollständig umlaufen werden. Die Aktuierungselektrode AL kann durchgehend ohne Unterbrechungen und mit einer gleichen radialen Dicke über einen azimutalen Winkel f ausgeformt sein. Actuation electrode AL be designed. The substrate can advantageously be rectangular (only a circular section shown here). Here, the exposed areas of the mirror devices, in particular the optical area and the central area MB provided for light transmission or light filtering, can also be circular and laterally completely encompassed by a circular edge structure RS. The actuation electrode AL can be formed continuously without interruptions and with the same radial thickness over an azimuthal angle f.
Fig. 2 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung von Kapazitäten. Fig. 2 shows an electronic circuit for evaluating capacities.
Zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELlund dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 kann eine erste Auswertungsspannung UAusl durch die Steuereinrichtung angelegt werden und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und der Aktuierungselektrode AL kann eine zweite Auswertungsspannung UAus2 über eine Referenzkapazität durch die Between the first electrically conductive area ELl and the second electrically conductive area EL2, a first evaluation voltage UAusl can be applied by the control device and between the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL, a second evaluation voltage UAus2 can be applied via a reference capacitance through the
Steuereinrichtung angelegt werden, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung UAusl zur zweiten Auswertungsspannung UAus2 gegengepolt sein kann und beispielsweise beide Auswertungsspannungen mit deren Absolutwert identisch sein können. Control device are applied, each of which comprises an AC voltage and wherein the first evaluation voltage UAusl to the second Evaluation voltage UAus2 can have opposite polarity and, for example, both evaluation voltages can be identical with their absolute value.
Der erste elektrisch leitende Bereich ELI und der zweite elektrisch leitende Bereich EL2 können die erste Kapazität CI bilden und der erste elektrisch leitende Bereich ELI und die Aktuierungselektrode AL können die zweite Kapazität C2 bilden. Die Aktuierungselektrode AL kann an einen The first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 can form the first capacitance CI and the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL can form the second capacitance C2. The actuation electrode AL can be connected to a
Gleichspannung, insbesondere an die Aktuationsspannung UAkt angelegt werden. Bei einer Veränderung der Abstände zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode können sich die erste Kapazität CI und die zweite Kapazität C2 umgekehrt proportional zueinander verändern. Die Messung der ersten Kapazität CI oder deren Änderung kann durch die angelegten DC voltage, in particular to the actuation voltage UAkt. When the distances between the mirror devices and the actuation electrode change, the first capacitance CI and the second capacitance C2 can change inversely proportional to one another. The measurement of the first capacitance CI or its change can be applied by the
Auswertungsspannungen UAusl und UAus2 erfolgen, wobei der erste Bereich ELI zwischen erster und zweiter Kapazität an einen negativen Eingang eines Operationsverstärkers geschaltet werden kann, und durch diesen vorteilhaft auf ein Masse- Potential gelegt werden kann. Diese Schaltung stellt einen CU Wandler dar (Kapazität zu Spannung Wandler, etwa wie eine Auswertung bei Beschleunigungssensoren). Die zweite Auswertungsspannung UAus2 kann über einen Referenzkondensator Cref dann zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und der Aktuierungselektrode invertiert zur ersten Evaluation voltages UAusl and UAus2 take place, the first area ELI between the first and second capacitance being able to be connected to a negative input of an operational amplifier, which can advantageously be connected to a ground potential. This circuit represents a CU converter (capacitance-to-voltage converter, like an evaluation for acceleration sensors). The second evaluation voltage UAus2 can then be inverted to the first between the first electrically conductive region ELI and the actuation electrode via a reference capacitor Cref
Auswertungsspannung UAusl angelegt werden. Das am Ausgang erhaltene Ausgangssignal Vout kann eine Wechselspannung sein, welche proportional zur Differenz der beiden Kapazitäten CI und Cref sein kann. Die Cref ist typischerweise in der Steuereinrichtung (welche einen ASIC, Application specific integrated Circuit umfassen kann) umfasst. Verglichen mit einem bekannten unausgelenkten Ruhezustand kann die Änderung des ersten Abstands und dann des tatsächlichen Abstands zwischen den beiden Spiegeleinrichtungen ermittelt werden. Der Referenzkondensator Cref kann vorteilhaft einen gleichen Wert aufweisen wie die erste Kapazität im unausgelenkten Zustand. Evaluation voltage UAusl can be applied. The output signal Vout obtained at the output can be an alternating voltage, which can be proportional to the difference between the two capacitances CI and Cref. The Cref is typically included in the control device (which can comprise an ASIC, application specific integrated circuit). Compared with a known undeflected state of rest, the change in the first distance and then in the actual distance between the two mirror devices can be determined. The reference capacitor Cref can advantageously have the same value as the first capacitance in the undeflected state.
Durch das Anlegen der Auswertungsspannungen an der ersten Kapazität kann eine weitestgehende Entkopplung zwischen dem Aktuieren und dem Messen des ersten Abstands erfolgen. Die Auswertung selbst kann alternativ zur in Fig. 2 gezeigten Schaltung auch weiterhin durch verschiedene Schaltungskonzepte realisiert werden, beispielsweise durch Verwendung der ersten oder zweiten Kapazität als ein frequenzbestimmendes Element in einem Oszillator oder durch eine Brückenschaltung mit einem hochfrequenten Signal. By applying the evaluation voltages to the first capacitance, the greatest possible decoupling can take place between the actuation and the measurement of the first distance. As an alternative to the circuit shown in FIG. 2, the evaluation itself can also continue to be implemented by various circuit concepts, for example by using the first or second Capacitance as a frequency-determining element in an oscillator or through a bridge circuit with a high-frequency signal.
Fig. 3 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Fig. 3 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for a
Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ohne die Verwendung einer Referenzkapazität Cref. Interferometer device according to an embodiment of the present invention without the use of a reference capacitance Cref.
Zur Ermittlung einer Differenz der Änderung der ersten und der zweiten Kapazität CI und C2 zueinander kann hierbei zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich EL2 eine erste Auswertungsspannung UAusl und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich ELI und der Aktuierungselektrode AL eine zweite Auswertungsspannung UAus2 angelegt werden, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung UAusl zur zweiten To determine a difference between the change in the first and second capacitance CI and C2, a first evaluation voltage UAusl can be used between the first electrically conductive area ELI and the second electrically conductive area EL2 and a second between the first electrically conductive area ELI and the actuation electrode AL Evaluation voltage UAus2 are applied, each of which comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage UAusl to the second
Auswertungsspannung UAus2 gegengepolt ist. Die zweite Evaluation voltage UAus2 has opposite polarity. The second
Auswertungsspannung UAus2 kann der Aktuationsspannung UAkt aufmoduliert werden. Aus einer Bewegung der ersten Spiegeleinrichtung und somit Änderung der Kapazitäten CI und C2 kann mittels der Auswerteschaltung direkt ein differentielles Signal Vout erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-Rausch- Verhältnis zur einzelnen Messung der ersten Kapazität nach Fig. 2 aufweisen kann. Eventuell in der Auswertungsspannung UAusl und/oder UAus2 Evaluation voltage UAus2 can be modulated onto the actuation voltage UAct. A differential signal Vout can be generated directly by means of the evaluation circuit from a movement of the first mirror device and thus a change in the capacitances CI and C2, which can have an improved signal-to-noise ratio for the individual measurement of the first capacitance according to FIG. Possibly in the evaluation voltage UAusl and / or UAus2
vorhandene Störungen durch elektrisch eingekoppelte Signale können durch die Differenz der Signale ausgeglichen werden, vorteilhaft sich durch differentielle Auswertung aufheben. Da beide Kapazitäten CI und C2 gemessen werden, kann auf eine zusätzliche Referenzkapazität verzichtet werden. Der erste Bereich ELI kann wiederum auf ein Massepotential am Operationsverstärker Op gezogen werden. Das am Ausgang erhaltenen Ausgangssignal Vout kann eine Wechselspannung sein, welche proportional zur Differenz der beiden Any interference caused by electrically coupled signals can be compensated for by the difference in the signals, advantageously canceling each other out through differential evaluation. Since both capacitances CI and C2 are measured, there is no need for an additional reference capacitance. The first area ELI can in turn be pulled to a ground potential at the operational amplifier Op. The output signal Vout obtained at the output can be an alternating voltage which is proportional to the difference between the two
Kapazitäten CI und C2 sein kann. Die erste und zweite Kapazität CI und C2 können in Ruhelage durch eine geeignete geometrische Auslegung vorteilhaft gleich sein, können jedoch auch verschieden sein. Der Unterschied kann über eine Asymmetrie der beiden Auswertungsspannungen kompensiert werden. Die Amplitude der ersten Auswertungsspannung UAusl kann sich von der Amplitude der zweiten Auswertungsspannung UAus2 entsprechend unterscheiden. Zwar kann in dieser Auswerteschaltung die vollständige Trennung von Capacities can be CI and C2. The first and second capacitors CI and C2 can advantageously be the same in the rest position through a suitable geometric design, but can also be different. The difference can be compensated for by an asymmetry of the two evaluation voltages. The amplitude of the first evaluation voltage UAusl can differ accordingly from the amplitude of the second evaluation voltage UAus2. It is true that in this evaluation circuit the complete separation of
Aktuierung und Messung des ersten Abstands entfallen, da der erste Bereich ELI aktiv getrieben wird. Es ergibt sich dennoch ein immenser Vorteil durch die differenzielle Auswertung, insbesondere in der störungsärmeren Auswertung des kapazitiven Ausgangssignals. Zwar kann sich das Rauschen um 3 dB (durch die Differenzbildung) erhöhen, der Signalhub kann sich allerdings verdoppeln (etwa um 6dB, was zu einem effektiven Gewinn von ca. 3 dB im Signal-zu-Rausch- Verhältnis führen kann. Darüber hinaus kann das Auswertesystem Actuation and measurement of the first distance are not necessary, since the first area ELI is actively driven. Nevertheless, there is an immense advantage due to the differential evaluation, in particular in the less interference-free evaluation of the capacitive output signal. Although the noise can increase by 3 dB (due to the subtraction), the signal swing can double (around 6 dB, which can lead to an effective gain of around 3 dB in the signal-to-noise ratio the evaluation system
unempfindlicher gegenüber eingekoppelten elektrischen Störungen werden.Become less sensitive to coupled electrical interference.
Diese können im Idealfall vollständig unterdrückt werden. Ideally, these can be completely suppressed.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4 shows a schematic plan view of an interferometer device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
Die Interferometereinrichtung 1 kann in Draufsicht auf eine Ebene der The interferometer device 1 can in plan view on a plane of
Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) als eine kreisrunde Interferometereinrichtung 1 mit kreisrunden Spiegeleinrichtungen SP1; SP2, einem kreisrunden Mirror devices (SP1; SP2) as a circular interferometer device 1 with circular mirror devices SP1; SP2, a circular one
Substratausschnitt mit einer Oberseite O und mit einer kreisrunden Substrate cutout with an upper side O and with a circular one
Aktuierungselektrode AL ausgestaltet sein. Hierbei können auch die freigestellten Bereiche der Spiegeleinrichtungen, insbesondere der optische Bereich und der für eine Lichttransmission oder Lichtfilterung vorgesehen Mittelbereich MB kreisrund sein und von einer kreisrunden Randstruktur RS lateral vollständig umlaufen werden. Die Aktuierungselektrode AL kann durchgehend ohne Actuation electrode AL be designed. Here, the exposed areas of the mirror devices, in particular the optical area and the central area MB provided for light transmission or light filtering, can also be circular and laterally completely encompassed by a circular edge structure RS. The actuation electrode AL can continuously without
Unterbrechungen und mit einer gleichen radialen Dicke über einen azimuthalen Winkel f ausgeformt sein. Interruptions and be formed with an equal radial thickness over an azimuthal angle f.
Im Unterschied zu Fig. lb kann die Aktuierungselektrode AL in mehrere In contrast to FIG. 1b, the actuation electrode AL can be divided into several
Teilsegmente (ALa; ALb; ...; AL2n) unterteilt sein, welche voneinander beabstandet sein können oder aneinander angrenzen können (nicht gezeigt). Die Teilsegmente ALa; ALb; ...; AL2n können jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen anlegbar sein. Bei Unebenheiten der ersten oder zweiten Spiegeleinrichtung können unterschiedliche Sub-segments (ALa; ALb; ...; AL2n) can be subdivided, which can be spaced from one another or adjoin one another (not shown). The subsegments ALa; ALb; ...; AL2n can each be applied to the same or to different actuation voltages. If the first or second mirror device is uneven, different
Aktuationsspannungen an Teilsegmente ALa; ALb; ...; ALn der Actuation voltages at subsegments ALa; ALb; ...; ALn the
Aktuierungselektrode AL angelegt werden und Unebenheiten in der ersten Spiegeleinrichtung SP1 oder zweiten Spiegeleinrichtung SP2 derart beim Actuating electrode AL are applied and bumps in the first Mirror device SP1 or second mirror device SP2 in such a way
Aktuieren kompensiert werden, so dass unter Aktuierung die erste Actuating are compensated, so that under actuating the first
Spiegeleinrichtung SP1 im Mittelbereich MB parallel zur zweiten Mirror device SP1 in the central area MB parallel to the second
Spiegeleinrichtung SP2 ausgelenkt und positioniert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch der erste und/oder zweite leitende Bereich ELI, EL2 Teilsegmente umfassen. Mirror device SP2 can be deflected and positioned. As an alternative or in addition, the first and / or second conductive region ELI, EL2 can also comprise subsegments.
Fig. 5 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektrode für eine Fig. 5 shows an electronic circuit for evaluating the capacitance between the mirror devices and the actuation electrode for a
Interferometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Interferometer device according to a further embodiment of the present invention.
Die Auswerteschaltung der Fig. 5 entspricht im Wesentlichen jener der Fig. 3 jedoch mit einer Erweiterung auf drei Teilsegmente ALa, ALb und ALc der Aktuierungselektrode. An das erste Teilsegment ALa und den ersten elektrisch leitenden Bereich ELI kann eine erste Aktuationsspannung UAktl angelegt werden, an das zweite Teilsegment ALb kann eine zweite Aktuierungsspannung UAkt2 angelegt werden und an das dritte Teilsegment ALc kann eine dritte Aktuierungsspannung UAkt3 angelegt werden. Bei Bedarf können sich diese drei Aktuierungsspannungen voneinander unterscheiden oder gleich sein. Die zweite Auswertungsspannung UAus2 kann durch Schalter an die drei Teilsegmente ALa, ALb und ALc gleichzeitig oder nach Bedarf unterschiedlich (zeitlich oder im Wert) angelegt werden. Mit dem ersten leitenden Bereich ELI bilden die The evaluation circuit of FIG. 5 essentially corresponds to that of FIG. 3, but with an extension to three subsegments ALa, ALb and ALc of the actuation electrode. A first actuation voltage UAktl can be applied to the first sub-segment ALa and the first electrically conductive area ELI, a second actuation voltage UAkt2 can be applied to the second sub-segment ALb and a third actuation voltage UAkt3 can be applied to the third sub-segment ALc. If necessary, these three actuation voltages can differ from one another or be the same. The second evaluation voltage UAus2 can be applied to the three subsegments ALa, ALb and ALc simultaneously or differently (in terms of time or value) as required. With the first conductive area ELI form the
Teilsegmente vorteilhaft eine zweite Teilkapazität C2a, eine zweite Teilkapazität C2b und eine dritte Teilkapazität C2c, welche über die Auswerteschaltung ein differentielles Ausgangssignal gegenüber der ersten Kapazität CI entsprechend der Schaltung aus der Fig. 3 ergeben können. Der erste Bereich ELI kann wiederum auf den Operationsverstärker Op geschaltet werden. Beim Auswerten der differentiellen Signale mit unterschiedlich geschalteten Teilsegmenten kann eine Unebenheit (asymmetrische Veränderung des Differenzsignals gegenüber anderen Teilsegmenten) erkannt werden. Durch die entsprechend angepassten Aktuierungsspannungen kann danach die Unebenheit ausgeglichen werden. Sub-segments advantageously have a second partial capacitance C2a, a second partial capacitance C2b and a third partial capacitance C2c, which can produce a differential output signal with respect to the first capacitance CI according to the circuit from FIG. 3 via the evaluation circuit. The first area ELI can in turn be switched to the operational amplifier Op. When evaluating the differential signals with differently switched subsegments, an unevenness (asymmetrical change in the difference signal compared to other subsegments) can be detected. The unevenness can then be compensated for by the appropriately adjusted actuation voltages.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung; ein Anlegen S2 einer Aktuationsspannung zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung und ein Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung; ein Anlegen S3 einer Auswertungsspannung zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; ein Bestimmen S4 einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung; und6 shows a schematic block diagram of method steps of a method according to an exemplary embodiment of the present invention. In the method for operating an interferometer device, an interferometer device according to the invention is provided S1; application S2 of an actuation voltage between the actuation electrode and the first electrically conductive region by the control device and actuation of the first mirror device; application S3 of an evaluation voltage between at least the first electrically conductive area and the second electrically conductive area by the control device; determining S4 a change in capacitance at least between the first electrically conductive area and the second electrically conductive area by the control device; and
Bestimmen S5 des ersten Abstands zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Kapazitätsänderung gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Spiegeleinrichtungen. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Determination S5 of the first distance between the first mirror device and the second mirror device from the change in capacitance with respect to an undeflected state of the two mirror devices. Although the present invention is based on the preferred
Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Embodiment has been fully described above, it is not limited to it, but can be modified in many ways.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Interferometereinrichtung (1) umfassend 1. Interferometer device (1) comprising
ein Substrat (2) mit einer Randstruktur (RS), welche auf dem Substrat (2) angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine Oberseite (O) des Substrats (2) einen optischen Bereich (OB) über dem Substrat (2) zumindest teilweise lateral umläuft; eine erste Spiegeleinrichtung (SP1), welche sich zumindest im optischen Bereich (OB) über dem Substrat (2) und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur (RS) verankert ist; a substrate (2) with an edge structure (RS) which is arranged on the substrate (2), and in plan view of an upper side (O) of the substrate (2) an optical area (OB) above the substrate (2) at least partially runs laterally; a first mirror device (SP1) which extends at least in the optical region (OB) above the substrate (2) and spans it and which is anchored to the edge structure (RS);
eine zweite Spiegeleinrichtung (SP2), welche sich zumindest im optischen Bereich (OB) über dem Substrat (2) und über der ersten Spiegeleinrichtung (SP1) und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur (RS) verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung (SP1; SP2) im optischen Bereich (OB) freigestellt sind; a second mirror device (SP2) which extends at least in the optical area (OB) above the substrate (2) and above the first mirror device (SP1) and spans this and which is anchored to the edge structure (RS), the first and second Mirror device (SP1; SP2) are free in the optical area (OB);
eine Aktuierungselektrode (AL), welche auf dem Substrat (2) angeordnet ist und einen Mittelbereich (MB) des optischen Bereichs (OB) zumindest teilweise lateral umläuft, und wobei die erste Spiegeleinrichtung (SP1) zumindest über der Aktuierungselektrode (AL) einen ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) umfasst und die zweite Spiegeleinrichtung (SP2) zumindest einen zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) über dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) umfasst; und an actuation electrode (AL) which is arranged on the substrate (2) and at least partially laterally runs around a central region (MB) of the optical region (OB), and wherein the first mirror device (SP1) has a first electrical at least above the actuation electrode (AL) conductive region (ELI) and the second mirror device (SP2) comprises at least one second electrically conductive region (EL2) over the first electrically conductive region (ELI); and
eine Steuereinrichtung (SE), welche mit der Aktuierungselektrode (AL) und dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und mit dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (SE) dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung (UAkt) zwischen der a control device (SE) which is electrically connected to the actuation electrode (AL) and the first electrically conductive area (ELI) and to the second electrically conductive area (EL2), the control device (SE) being set up to generate an actuation voltage (UAct ) between the
Aktuierungselektrode (AL) und dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) anzulegen und eine Auswertungsspannung (UAus) zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung (SP1) aus einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) einen ersten Abstand (dl2) zwischen der ersten Spiegeleinrichtung (SP1) und der zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) zu bestimmen. To apply the actuation electrode (AL) and the first electrically conductive area (ELI) and to apply an evaluation voltage (UAus) between at least the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) and when the first mirror device (SP1) is actuated to determine a first distance (dl2) between the first mirror device (SP1) and the second mirror device (SP2) from a change in capacitance at least between the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2).
2. Interferometereinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Steuereinrichtung (SE) eine Auswerteschaltung umfasst, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) eine erste Auswertungsspannung (UAusl) und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und der Aktuierungselektrode (AL) eine zweite Auswertungsspannung (UAus2) über eine Referenzkapazität anlegbar ist, welche jeweils eine 2. Interferometer device (1) according to claim 1, wherein the control device (SE) comprises an evaluation circuit through which a first evaluation voltage (UAusl) and between the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) and between the first electrically conductive area (ELI) and the actuation electrode (AL), a second evaluation voltage (UAus2) can be applied via a reference capacitance, each of which has a
Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung (UAusl) zur zweiten Auswertungsspannung (UAus2) gegengepolt ist. Comprises alternating voltage and wherein the first evaluation voltage (UAusl) has opposite polarity to the second evaluation voltage (UAus2).
3. Interferometereinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Steuereinrichtung (SE) eine Auswerteschaltung umfasst, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) eine erste Auswertungsspannung (UAusl) und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und der Aktuierungselektrode (AL) eine zweite Auswertungsspannung (UAus2) anlegbar ist, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung (UAusl) zur zweiten Auswertungsspannung (UAus2) gegengepolt ist. 3. Interferometer device (1) according to claim 1, wherein the control device (SE) comprises an evaluation circuit through which a first evaluation voltage (UAusl) and between the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) and between the A second evaluation voltage (UAus2) can be applied to the first electrically conductive area (ELI) and the actuation electrode (AL), each of which comprises an alternating voltage and the polarity of the first evaluation voltage (UAusl) is opposite to the second evaluation voltage (UAus2).
4. Interferometereinrichtung (1) nach Anspruch 3, bei welcher die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität (CI) und einer Änderung einer zweiten Kapazität (C2) ermitteln, wobei der erste elektrisch leitende Bereich (ELI) und der zweite elektrisch leitende Bereich (EL2) die erste Kapazität (CI) bilden und der erste elektrisch leitende Bereich (ELI) und die Aktuierungselektrode (AL) die zweite Kapazität (C2) bilden. 4. Interferometer device (1) according to claim 3, in which the evaluation circuit is set up to determine a difference between a change in a first capacitance (CI) and a change in a second capacitance (C2), the first electrically conductive region (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) form the first capacitance (CI) and the first electrically conductive area (ELI) and the actuation electrode (AL) form the second capacitance (C2).
5. Interferometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die 5. interferometer device (1) according to any one of claims 3 or 4, wherein the
Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die zweite Auswertungsspannung (UAus2) mit der Aktuationsspannung (UAkt) zu überlagern. Evaluation circuit is set up to superimpose the second evaluation voltage (UAus2) with the actuation voltage (UAkt).
6. Interferometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Aktuationsspannung (UAkt) eine Gleichspannung ist. 6. Interferometer device (1) according to one of claims 1 to 5, in which the actuation voltage (UAkt) is a direct voltage.
7. Interferometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der erste elektrisch leitende Bereich (ELI) und/oder der zweite elektrisch leitende Bereich (EL2) einen Kreisring umfasst oder der gesamten Ausdehnung der zugehörigen Spiegeleinrichtung entspricht. 7. Interferometer device (1) according to one of claims 1 to 6, in which the first electrically conductive area (ELI) and / or the second electrically conductive area (EL2) comprises a circular ring or the entire extent of the corresponding mirror device.
8. Interferometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Aktuierungselektrode mehrere Teilsegmente (ALa; ALb; ...; ALn) umfasst, welche jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen (UAkt) anlegbar sind. 8. Interferometer device (1) according to one of claims 1 to 7, in which the actuation electrode comprises several subsegments (ALa; ALb; ...; ALn) which can each be applied to the same or different actuation voltages (UAkt).
9. Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung (1) umfassend die Schritte: 9. A method for operating an interferometer device (1) comprising the steps:
Bereitstellen (Sl) einer Interferometereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8; Providing (Sl) an interferometer device (1) according to one of claims 1 to 8;
Anlegen (S2) einer Aktuationsspannung (UAkt) zwischen der Apply (S2) an actuation voltage (UAkt) between the
Aktuierungselektrode (AL) und dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) durch die Steuereinrichtung (SE) und Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung (SP1); Actuation electrode (AL) and the first electrically conductive region (ELI) by the control device (SE) and actuation of the first mirror device (SP1);
Anlegen (S3) einer Auswertungsspannung (UAus) zwischen zumindest dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) durch die Steuereinrichtung (SE); Application (S3) of an evaluation voltage (UAus) between at least the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) by the control device (SE);
Bestimmen (S4) einer Kapazitätsänderung zumindest zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) durch die Steuereinrichtung (SE); und Determining (S4) a change in capacitance at least between the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) by the control device (SE); and
Bestimmen (S5) des ersten Abstands (dl2) zwischen der ersten Determination (S5) of the first distance (dl2) between the first
Spiegeleinrichtung (SP1) und der zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) aus der Mirror device (SP1) and the second mirror device (SP2) from the
Kapazitätsänderung gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Change in capacitance compared to an undeflected state of the two
Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2). Mirror devices (SP1; SP2).
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) eine erste 10. The method according to claim 9, wherein between the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) a first
Auswertungsspannung (UAusl) und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (EL2) und der Aktuierungselektrode (AL) eine zweite Auswertungsspannung (UAus2) über eine Referenzkapazität angelegt wird, welche jeweils eine Evaluation voltage (UAusl) and between the first electrically conductive area (EL2) and the actuation electrode (AL) a second evaluation voltage (UAus2) is applied via a reference capacitance, each of which has a
Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung (UAusl) zur zweiten Auswertungsspannung (UAus2) gegengepolt ist. Comprises alternating voltage and wherein the first evaluation voltage (UAusl) has opposite polarity to the second evaluation voltage (UAus2).
11. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich (EL2) eine erste 11. The method according to claim 9, wherein between the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) a first
Auswertungsspannung (UAusl) und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich (ELI) und der Aktuierungselektrode (AL) eine zweite Auswertungsspannung (UAus2) angelegt wird, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung (UAusl) zur zweiten Auswertungsspannung (UAus2) gegengepolt ist. Evaluation voltage (UAusl) and between the first electrically conductive Area (ELI) and the actuation electrode (AL) a second evaluation voltage (UAus2) is applied, which each comprises an alternating voltage and wherein the first evaluation voltage (UAusl) has opposite polarity to the second evaluation voltage (UAus2).
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem eine Differenz einer Änderung einer 12. The method of claim 11, wherein a difference in a change in a
ersten Kapazität (CI) und einer Änderung einer zweiten Kapazität (C2) ermittelt wird, wobei der erste elektrisch leitende Bereich (ELI) und der zweite elektrisch leitende Bereich (EL2) die erste Kapazität (CI) bilden und der erste elektrisch leitende Bereich (ELI) und die Aktuierungselektrode (AL) die zweite Kapazität (C2) bilden. first capacitance (CI) and a change in a second capacitance (C2) is determined, the first electrically conductive area (ELI) and the second electrically conductive area (EL2) forming the first capacitance (CI) and the first electrically conductive area (ELI ) and the actuation electrode (AL) form the second capacitance (C2).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welchem unterschiedliche 13. The method according to any one of claims 9 to 12, wherein different
Aktuationsspannungen an Teilsegmente (ALa; ALb; ...; ALn) der Actuation voltages on sub-segments (ALa; ALb; ...; ALn) of the
Aktuierungselektrode (AL) angelegt werden und Unebenheiten in der ersten Actuation electrode (AL) are applied and bumps in the first
Spiegeleinrichtung (SP1) derart beim Aktuieren kompensiert werden, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung (SP1) im Mittelbereich (MB) parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung (SP2) ausgelenkt und positioniert wird. Mirror device (SP1) are compensated during actuation in such a way that the first mirror device (SP1) is deflected and positioned in the central area (MB) parallel to the second mirror device (SP2) when actuated.
PCT/EP2020/069704 2019-07-19 2020-07-13 Interferometer device and method for operating an interferometer device WO2021013598A1 (en)

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